ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ СЛОЖНЫХ
ОКСИДОВ Y(Ba1-Х Вех)2cu3o7- МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
Хашафа Адел Хамуд Дерхем
Гамматаев Саид Лиматулаевич
Дагестанский государственный университет
Палчаев Даир Каирович
Методы магнетронного распыления широко используются для нанесения
тонкопленочных покрытий и, поэтому, активно разрабатываются во всем мире . На основе
опыта, накопленного как российскими, так и зарубежными исследователями [1-4], нами
разработана и создана магнетронная распылительная система, для синтеза и получения тонких
слоев сложных оксидов Y(Ba1-xBex)2Cu3O7- с воспроизводимыми структурой и свойствами.
Магнетронное
распыление
является
разновидностью
катодного
распыления,
сопровождаемого эрозией мишени под действием бомбардировки положительно заряженными
частицами в условиях пониженного давления. Между электропроводящей мишенью и экраном
мишени прикладывается постоянное напряжение. Полярность подключения выбирается таким
образом, чтобы мишень выполняла роль катода, а экран − анода. При разности потенциалов,
превышающей некое критическое напряжение, происходит зажигание плазмы. Если в качестве
катода использовать магнетрон, то благодаря лоренцевским силам, линии магнитного поля над
мишенью, расположенной на катоде, удерживают плазму в форме тора. В результате, объем и
поверхность плазмы сильно уменьшаются, уменьшается и рабочее напряжение. Применение
низкого рабочего напряжения означает уменьшение кинетической энергии отрицательных ионов
и подавление эффекта бомбардировки ими подложки, а увеличение длины пробега электронов
приводит к возрастанию ионизации газа, что необходимо для создания соответствующей плазмы.
Магнетронное распыление может существовать как в постоянно-токовом, так и в высокочастотном вариантах. Простейшая магнетронная система распыления состоит из магнетрона, onaxis или off-axis конфигурации расположения мишени и подложки. Когда подложка и
осаждаемый на ней слой не должны подвергаться воздействию высокоэнергетичных частиц
(отражённых от катода нейтрализовавшихся ионов рабочего газа, а также вторичных
электронов и отрицательных ионов, ускоренных в катодном слое), подложку следует выносить из
области, где могут быть такие частицы. Подобные щадящие условия осаждения необходимы
для получения сложных по составу и структуре плёнок сегнетоэлектриков и
сверхпроводников. Чаще всего подложку размещают сбоку от мишени (off-axis systems .
Считается, что при получении пленок сложного состава можно обойтись одной мишенью
соответствующего стехиометрического состава [1]. Несмотря на различные коэффициенты
распыления для разных элементов, через некоторое время после предварительного распыления тренировки мишени, поток распыленного с мишени материала становится стехиометрическим по
металлическим компонентам. Причиной этого явления служит то, что больший коэффициент
распыления одного из компонентов компенсируется истощением поверхности мишени по
данному элементу. Однако в работе [2] обращается внимание на то, что в результате
отклонений состава от стехиометрии при одностадийном (in situ) росте ВТСП пленок
YBa2Cu3O7-x (YBCO), как правило, формируется гетерогенная система, состоящая из фазы 1–
2–3 и фаз, обогащенных отдельными компонентами. Частицы вторичных фаз могут иметь
высокую поверхностную плотность и размеры, намного превышающие характерные размеры
приборов, формируемых на основе YBCO пленок. Понимание важности этой проблемы
вызвало интенсивный поиск технологий получения YBCO пленок с высокой однородностью
фазового состава и гладкой поверхностью [2-3]. Согласно пленки, получаемые в области
стехиометрии (1-2-3), являются более гладкими и не содержат частиц вторичных фаз, но
имеют, как правило, худшие сверхпроводящие свойства (TC0 < 88 K, Jс < 2MA/cm2, Rs > 2.0
mQ). В конкретной ситуации для оптимизации сверхпроводящих и (или) структурных
параметров пленок необходимо варьировать их катионный (интегральный) состав в широких
пределах.
В качестве подложек нами были выбраны SrTiO3, MgO, термически окисленный
кремний, сапфир. Пленки YBa2Cu3O7-δ и YBe2Cu3O7-δ предварительно осаждались на
подложку из кремния тем же методом для того, чтобы определить морфологию пленки в
направлении ее роста. Осаждение пленок этих составов на кремнии обеспечивало
возможность оценки их состава анализаторами ASPEX SDD EDS и INCA-200 сканирующих
зондовых микроскопов ASPEX EXpress и LEO-1450 соответственно.
На рисунке 1 приведены морфология, а так же сканы 2D, 3D и профиль (NTEGRA SPECTRA) соответственно для пленки, полученной на Si при температуре подложки 700ºС и
токе разряда -150мА в среде аргона (3Па), 40 off –axsis, в течение 30 мин.
Рис.1 Микрофотография морфологии и сканы пленки Si /YBа2Cu3O7-δ толщиной
100 нм, осажденной при температуре подложки 700 ºС в среде аргона (3Па),
ток 60мА, 40 off –axsis, 30 мин.
Пленки составов YBe2Cu3O7-δ и YBe2Cu3O7-δ были получены в аргоне в различных
условиях: температура подложки, ток разряда, давление газа, время выдержки. Проведены
исследования морфологии и структуры полученных пленок. Показано, что толщина пленок,
при прочих равных условиях, возрастает с возрастанием тока разряда. Повышение
температуры подложки приводит к повышению плотности и однородности пленки; скорость
роста пленки возрастает при увеличении тока разряда без изменения качества пленки, но для
возрастания однородности пленки необходимо повысить температуру подложки. Увеличение
давления приводит к снижению однородности. Оптимальными параметрами для получения
совершенных слоев толщиной 100 нм составов YBa2Cu3O7-, и YBе2Cu3O7- на нашей установке
являются: давление 1-3Па, температура подложки 700-750ºС, ток разряда 150-200 мА в среде смеси
аргона и кислорода в соотношении 3:1. Эти исследования указывают на возможность получения
ВТСП пленок с подслоем из YBе2Cu3O7- для создания компонентов электронной техники и
сверхпроводников второго поколения.
Литература
[1] А. Гояла., А.Р.Кауль. Токонесущие ленты второго поколения на основе
высокотемпературных сверхпроводников, // М: ЛКИ, 2009.
[2] Wa_enschmidt E., Wa_enschmidt K.H., Arndt F. et al. // J. Appl. Phys. 1994.
V. 75 (8). P. 4092.4096
[3] Johnson C.N.L., Helmersson U., Madsen L.D. et al. // J. Appl. Phys. 1995.
V. 77. (12). P. 6388.6393.
[4] Дроздов Ю.Н., Мастеров Д.В., Павлов С.А., Парафин А.Е. //Журнал технической физики,
2009, том 79, вып. 1, С.125-129